關于視頻傳輸鏈路信號完整性的工藝研究

薛 飛,嚴少奇,季 勇,馬 翔

(西安應用光學研究所,陜西 西安 710065)

某光電產品是某艦載防衛系統的重要組成部分,該產品具備實時目標識別、目標搜索和定位功能,視頻信號傳輸穩定、圖像顯示清晰、無屏閃、無干擾是該產品的核心指標。光電產品的圖像傳感器采集目標信息并發出高清視頻信號,視頻信號經過多個部件,長鏈路傳輸,最終在視頻終端上顯示。各個部件之間采用特性阻抗為75 Ω的同軸電纜鏈接。在電纜與接插件接線時,由于同軸電纜線芯太細和接插件不匹配,往往使用雙絞線與同軸電纜轉接后再焊接到接插件上,傳統工藝視頻電纜接線如圖1所示。

圖1 傳統工藝視頻電纜接線

工程應用中,使用同軸電纜傳輸高清視頻信號的案例較多,但是對于傳輸鏈路信號傳輸完整性的影響因素研究很少,沒有技術規范和統一的工藝標準。電纜布線時,不同操作者的接線方式和使用雙絞線的長度不一樣。接線不規范或者使用雙絞線過長,就會造成傳輸鏈路特性阻抗不連續,導致視頻信號傳輸效率低,視頻圖像顯示不穩定,圖像閃屏、出現條紋、波紋干擾等問題。國內尚無此類工藝規范和技術標準可以參考。本文參考TIA(美國電信工業協會)同軸電纜測試標準,結合工程實踐經驗,全面分析了同軸電纜和雙絞線轉接對視頻信號傳輸的影響因素。

使用FLUKE DSX-8000電纜測試儀,按照TIA568C.4CATV RG6 LS標準,測試不同接線工藝對信號傳輸鏈路特性阻抗和插入損耗的影響,分析HDTDR(高精度時域反射)故障信息,提出了影響同軸電纜布線工藝的關鍵因素和改進措施。

1 技術原理及故障信息

1.1 視頻信號傳輸鏈路結構

該光電產品采用同軸電纜傳輸帶寬為6 M的單端PAL制高清視頻信號,視頻信號由圖像傳感器發出,經過俯仰機構、方位機構、中間接線箱、控制機柜、視頻處理組件等9個部件轉接,18次電纜與連接器轉接,最終發送給顯示終端。信號傳輸鏈路總長度為55 m,傳輸鏈路特性阻抗為75 Ω,原理圖如圖2所示。

圖2 視頻信號傳輸鏈路原理圖

1.2 傳輸鏈路性能參數測試

PAL制基帶視頻信號是由0～6 M不同頻率分量組成的,低頻分量影響亮度和對比度,高頻分量影響色度、清晰度和分辨率。因此,為保證信號的有效傳輸,必須同時滿足高頻和低頻的傳輸要求。使用FLUKE DSX-8000電纜測試儀,按照TIA568C.4CATV RG6 LS的標準,測試視頻信號傳輸鏈路性能參數[1],結果如圖3所示,鏈路測試失敗的主要原因是特性阻抗和插入損耗不合格。

圖3 視頻信號傳輸鏈路性能參數

1.3 傳輸鏈路的故障信息測試

使用FLUKE DSX-8000電纜測試儀,測試視頻信號傳輸鏈路的HDTDR(高精度時域反射)故障信息[2](見圖4),在圖像傳感器和中間接線箱之間25 m范圍內分布了8個信號反射故障點,信號回波損耗超過10%的點有4個,最大的信號回波損耗為16.4%。

圖4 傳輸鏈路HDTDR(高精度時域反射)測試

在傳輸鏈路中,部件之間的電纜連接以及電纜與接插件的多次轉接,引起傳輸鏈路特性阻抗不連續。傳輸鏈路特性阻抗突變主要發生在電纜和接插件轉接處,視頻信號在阻抗突變的位置發生反射。

視頻信號多次在不同阻抗電纜中來回反射,導致傳送至顯示終端的視頻信號能量微弱。視頻信號無法在終端上穩定顯示,引起閃屏、紋波等干擾,視頻信號傳輸鏈路的理論特性阻抗為75 Ω,實際測試結果為88 Ω,超出了傳輸鏈路特性阻抗的有效范圍(67～83 Ω),傳輸鏈路特性阻抗的測試如圖5所示。

圖5 傳輸鏈路特性阻抗測試

2 故障原因分析

2.1 傳輸鏈路的插入損耗

視頻信號傳輸鏈路的插入損耗是圖像傳感器與顯示終端之間,接入電纜或部件產生的信號損耗,通常指衰減。插入損耗以接收信號電平的對應分貝(dB)來表示。測試設備余量值=標準值-實際值,余量越大說明鏈路的插入損耗越小。由于趨膚效應的影響,信號傳輸鏈路[3-4]的插入損耗會隨信號頻率的增大而增大,視頻信號傳輸鏈路插入損耗的測試結果如圖6所示,當視頻信號頻率為100 MHz時,插入損耗為18.7 dB,余量為-4.7 dB,傳輸鏈路的插入損耗實際值超過了標準值。

圖6 傳輸鏈路插入損耗測試結果

2.2 同軸電纜特性阻抗

同軸電纜[5]由內導體、絕緣體、外導體和護套4部分組成,絕緣體使內、外導體相互絕緣且保持軸心重合,內外導體由電介質(絕緣材料)隔開,電介質是充有80%氮氣聚乙烯物理發泡絕緣材料,在很大程度上決定著同軸電纜的傳輸速度和損耗特性,同軸電纜特性阻抗的等效電路如圖7所示。

圖7 同軸電纜等效阻抗

同軸電纜的特性阻抗[6]與電纜長度無關,它是由電纜中單位長度傳輸線的固有電感L和單位長度傳輸線的固有電容C決定的,式1為同軸電纜特性阻抗的近似計算公式。理論上,在一條均勻的傳輸鏈路上,沿長度方向每一點的特性阻抗Z0是不變的,如果將同軸電纜按任意長度截斷,分別用電感表和電容表測量任意一段的電感值L和電容值C,代入式1進行計算,結果約為75 Ω。

(1)

而這些等效電容和電感又是由電纜內外導體直徑和介質的介電常數決定的,如式2所示:

(2)

式中,b是外導體的內徑;a是內導體的外徑。

高頻信號流過電纜時,電流集中于導體表面而使導體有效橫截面積減少、電阻值加大的現象稱之為趨膚效應。由于趨膚效應的影響,同軸電纜中的信號電流只沿內導體的外側和外導體的內側流動,因此,電纜特性阻抗的主要性質取決于內導體的外徑和外導體的內徑,電纜內外部電磁場也不相互干擾。趨膚深度與信號頻率的平方根成反比,因此,同軸電纜的導體損耗與頻率的平方根成正比。要改變傳輸線的特征阻抗就要改變單位長度傳輸線的固有電感和電容,同軸電纜特性阻抗的等效電路如圖8所示。

圖8 同軸電纜特性阻抗等效電路

2.3 雙絞線特性阻抗

雙絞線傳輸鏈路的特性阻抗Z0是交流信號在傳輸電纜中電壓振幅和電流振幅的比率。是指當電纜無限長時該電纜所具有的阻抗,是阻止電流通過導體的一種電阻名稱,它不是常規意義上的直流電阻。一條電纜的特性阻抗是由電纜的電導率、電容以及阻值組合后的綜合特性。一根均勻電纜無限延伸,在某一頻率下的阻抗稱為“特性阻抗”(Characteristic Impedance)。這些參數是由導體尺寸、導體間的距離以及電纜絕緣材料特性等物理參數決定的,如式3所示:

(3)

式中,S是兩導體的中心距;d是導體的直徑。

測量特性阻抗時,在電纜的另一端用特性阻抗的等值電阻終接,其測量結果跟輸入信號的頻率有關。特性阻抗的測量單位為歐姆。在信號頻率不斷提高時,特性阻抗會近似于固定值。

同軸電纜的特性阻抗是50或75 Ω,常用非屏蔽雙絞線的特性阻抗為120 Ω,屏蔽雙絞線的特性阻抗為150 Ω,雙絞線特性阻抗等效電路如圖9所示。50 Ω同軸電纜能提供更高的功率,主要用于無線電發射器,如無線電臺、廣播和對講機。75 Ω電纜在保持信號強度方面做得更好,主要用于連接任何類型的接收設備,如有線電視接收機、高清電視和數字記錄器。

圖9 雙絞線特性阻抗等效電路

2.4 傳輸鏈路問題分析

以往在產品俯仰機構布線時,考慮同軸電纜線芯太細,產品工作時線纜會隨俯仰機構一起轉動。為保證接線可靠,往往先用雙絞線將同軸電纜轉接再與接插件焊接,在圖10所示的電纜轉接中,雙絞線長度超過了15 cm。同軸電纜的特性阻抗為75 Ω,雙絞線的特性阻抗為120 Ω,如果將兩者連接在一起,信號傳輸鏈路特性阻抗發生突變,突變量為120-75=45 (Ω),相對突變達到了60%。

圖10 同軸線與雙絞線轉接

視頻信號在75 Ω同軸電纜中傳輸時,阻抗匹配最優,信號傳輸效率最高。雙絞線的特性阻抗是120 Ω,雙絞線過長就會使傳輸鏈路特性阻抗偏離理想值75 Ω,阻抗匹配度下降[7],導致信號無法有效傳輸。

通過測試發現,使用雙絞線越長,對鏈路特性阻抗影響越大。傳輸鏈路阻抗不均勻、信號源與負載阻抗不匹配,就會造成電纜在傳輸信號時,部分信號發生發射,造成傳輸效率下降[8],嚴重時直接影響系統的正常工作。

3 改進措施及效果驗證

3.1 降低特性阻抗

1)將接插件端頭轉接處的雙絞線縮短到5 cm以內(見圖11),以降低阻抗突變,提高傳輸鏈路阻抗的連續性,防止信號在轉接點之間的來回反射,減小視頻信號的回波損耗。

圖11 采用新工藝接線

2)導線直徑與特性阻抗成反比,增加導線線徑相當于增大電容,減小特征阻抗。采用導線型號為AWG22絞線和同軸線轉接,增加導線橫截面積,降低傳輸鏈路的特性阻抗,使特性阻抗在有效范圍(67～83 Ω)以內,接近理想值75 Ω。

3)在傳輸鏈路布線時,保持視頻電纜不變形、無扭曲、無打結和交叉,確保信號傳輸鏈路阻抗均勻分布,以提高信號的傳輸效率。采用新工藝后鏈路特性阻抗如圖12所示。

圖12 采用新工藝后鏈路特性阻抗

3.2 降低插入損耗

1)采用SYV75-5同軸電纜代替SYV75-3同軸電纜,增大同軸電纜中心導體直徑,減小趨膚效應的影響,以降低插入損耗[9]。2)通過優化接線工藝減少轉接端口數量,將回波損耗為16.4%的2個故障端口采用同軸電纜直連的方式,降低端口轉接帶來的插入損耗。采用新工藝接線后,測試傳輸鏈路的插入損耗結果如圖13所示,傳輸鏈路的插入損耗余量為3.3 dB,實際值低于標準值,測試通過。

圖13 新工藝插入損耗測試結果

采用新工藝后,傳輸鏈路性能參數測試如圖14所示。由測試結果可以看出,工藝改進后,傳輸鏈路的特性阻抗下降到74 Ω,接近理想值75 Ω,測試通過,電纜長度由54.4 m變為53.3 m。視頻信號傳輸穩定[10],圖像顯示清晰,徹底解決了視頻信號傳輸效率低、圖像閃屏干擾等問題。

圖14 新工藝鏈路性能參數測試結果

4 結語

該項工藝研究以信號通信原理為基礎,通過測試信號傳輸鏈路關鍵性能參數、分析傳輸鏈路故障信息,找出影響信號傳輸效率的主要因素,根據故障因素提出改進方案。優化電纜接線工藝,制定同軸電纜布線標準,優化了傳輸鏈路的特性阻抗,降低了同軸電纜的插入損耗,提高了整個鏈路的傳輸效率,解決了視頻閃爍、圖像波紋等干擾問題。為相關行業同類產品的設計和制造提供了有益參考。